頻率管理系統(tǒng)在短波通信中的運(yùn)用

黃先來

（安徽省人民防空指揮信息保障中心，安徽 合肥 230011）

0 引 言

短波通信是一種傳統(tǒng)的通信方式，雖然在無線通信領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)緩慢，應(yīng)用范圍相對(duì)較小，但是在軍事或特殊條件下的通信中可以發(fā)揮重要作用。例如，在特定的地域條件下，當(dāng)其他通信方式受到制約或限制時(shí)，往往依靠無線通信手段進(jìn)行通信，其中短波通信能夠發(fā)揮較大的作用。短波通信依賴于電磁波在空間中利用天波實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，會(huì)受到日夜交替、太陽活動(dòng)以及其他自然因素的影響，導(dǎo)致電離層參數(shù)發(fā)生變化。這種變化存在一定的規(guī)律，但是僅靠人工統(tǒng)計(jì)還無法實(shí)時(shí)掌握和預(yù)測(cè)。相比于其他無線通信方式，短波通信具有兩個(gè)主要特點(diǎn)。一是短波通信依靠電離層對(duì)電磁信號(hào)的折射進(jìn)行傳播，傳輸距離較遠(yuǎn)[1]。二是傳輸介質(zhì)具有抗毀性。短波通信的傳輸介質(zhì)為電離層，目前尚無手段能夠毀壞電離層。但是，短波通信業(yè)存在一定的短板。例如，由于短波通信介質(zhì)為電離層，當(dāng)電離層狀態(tài)較差或電離層變化較頻繁時(shí)，通信質(zhì)量將受到嚴(yán)重影響。短波頻段較短但是用戶較多，當(dāng)大量用戶利用短波進(jìn)行通信時(shí)，可能造成相互干擾，影響通信質(zhì)量。在短波通信中，管理短波頻率是保證短波通信質(zhì)量的重要措施。利用頻率管理系統(tǒng)可以分析和預(yù)測(cè)電離層參數(shù)，隨時(shí)了解電離層的狀態(tài)。本文主要對(duì)頻率管理系統(tǒng)在短波通信中的應(yīng)用展開研究，以期可為相關(guān)領(lǐng)域研究人員提供參考和借鑒。

1 短波頻率管理系統(tǒng)的發(fā)展

短波頻率管理系統(tǒng)的作用是對(duì)短波通信頻率進(jìn)行規(guī)劃、分配以及優(yōu)化，從而提高短波通信的質(zhì)量。短波頻率管理系統(tǒng)的發(fā)展起步較早，但是早期的系統(tǒng)大多為獨(dú)立的信道探測(cè)系統(tǒng)，可以通過探測(cè)電離層實(shí)現(xiàn)最優(yōu)頻率選擇。例如，20世紀(jì)60年代美國(guó)的CURTS系統(tǒng)和加拿大的CHEC系統(tǒng)。70年代美國(guó)又開發(fā)了寬帶Chip系統(tǒng)，隨后出現(xiàn)了Selscan系統(tǒng)和ALQA系統(tǒng)。Selscan系統(tǒng)和ALQA系統(tǒng)利用鏈路質(zhì)量分析器實(shí)現(xiàn)對(duì)信道的自動(dòng)選擇和切換，同時(shí)能夠快速調(diào)諧發(fā)射機(jī)和接收機(jī)[2]。除上述系統(tǒng)外，美國(guó)的RF-100系列和德國(guó)的CHX200、HF-850（ALLS）等系統(tǒng)也具有上述系統(tǒng)的類似功能。

與國(guó)外相比，我國(guó)短波頻率管理系統(tǒng)的研究起步較晚，在自適應(yīng)通信研究和應(yīng)用方面較為落后。為了提高短波通信技術(shù)的研究水平，我國(guó)在短波通信技術(shù)的研究中投入了大量人力和物力。在“七五”期間，我國(guó)花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)從國(guó)外購置自適應(yīng)短波通信系統(tǒng)來加快我國(guó)對(duì)短波通信系統(tǒng)研究的進(jìn)程。經(jīng)過多年的努力，20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)在自適應(yīng)短波通信系統(tǒng)的研究上取得了一系列成果，研制了多個(gè)型號(hào)的選頻系統(tǒng)和頻率管理系統(tǒng)，顯著提高了我國(guó)短波通信領(lǐng)域的技術(shù)水平。

2 短波頻率管理系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)計(jì)短波頻率管理系統(tǒng)是為了提升短波通信質(zhì)量，從而保證在遠(yuǎn)距離條件下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)有效通信。在通用的短波頻率管理系統(tǒng)中，通常需要垂測(cè)站、斜側(cè)站以及斜向返回探測(cè)站等共同工作來掌握電離層的狀態(tài)，并根據(jù)應(yīng)用需要可以將短波頻率管理系統(tǒng)配置成固定站和移動(dòng)站，進(jìn)而構(gòu)成管理網(wǎng)絡(luò)。

在短波頻率管理系統(tǒng)的管理網(wǎng)絡(luò)中，通常采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，一級(jí)站點(diǎn)和二級(jí)站點(diǎn)主要配備固定站。一方面，固定站可以發(fā)現(xiàn)短波頻段探測(cè)信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)周邊環(huán)境短波頻段的頻譜環(huán)境。另一方面，固定站可以采集和處理來自多個(gè)移動(dòng)站點(diǎn)的探測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果管理和分配短波頻段資源，最后上報(bào)頻率的使用情況[3]。

移動(dòng)站的主要作用是接收和處理其他站點(diǎn)發(fā)送的探測(cè)信號(hào)，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)本地周邊的電磁環(huán)境，管理和控制短波通信系統(tǒng)的頻管數(shù)據(jù)。移動(dòng)站與固定站之間可以構(gòu)成探測(cè)與接收鏈路，為短波通信時(shí)的頻率選擇提供幫助。移動(dòng)站點(diǎn)在工作過程中通常被接入固定站所管理的網(wǎng)絡(luò)，以有效提高短波通信的質(zhì)量和效率。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常利用機(jī)動(dòng)站實(shí)現(xiàn)對(duì)固定站的延伸。

3 短波頻率管理系統(tǒng)應(yīng)用及性能提升

將頻率管理系統(tǒng)應(yīng)用到短波通信中，可以有效提高通短波通信的質(zhì)量。下面詳細(xì)介紹頻率管理系統(tǒng)在短波通信領(lǐng)域可以采用的應(yīng)用方式。

3.1 監(jiān)測(cè)短波通信時(shí)的電磁環(huán)境情況

電磁環(huán)境的優(yōu)劣嚴(yán)重影響短波通信的質(zhì)量和效率。利用頻率管理系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)電磁信號(hào)，存儲(chǔ)、分析以及處理監(jiān)測(cè)的信號(hào)數(shù)據(jù)，并根據(jù)處理結(jié)果向控制中心提供關(guān)于頻率管理的相關(guān)信息。具體實(shí)現(xiàn)這一功能的系統(tǒng)通常稱為電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是頻率管理系統(tǒng)的重要組成部分。電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是對(duì)在特定頻段發(fā)送的探測(cè)信號(hào)的具體參數(shù)和頻率的時(shí)間可用度等進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量，即統(tǒng)計(jì)和分析頻率的可用度。此外，電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以全面測(cè)量電磁信號(hào)的電平、強(qiáng)度、頻率以及頻偏等參數(shù)[4]。

在對(duì)頻譜進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量時(shí)，電磁環(huán)境進(jìn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢，同時(shí)可以對(duì)不同的頻率提供相匹配的接口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。頻率管理系統(tǒng)可以識(shí)別通信的信號(hào)頻譜，為使用者提供頻率調(diào)整的依據(jù)，具備高準(zhǔn)確性、機(jī)動(dòng)性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。通過電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高效利用，使用者能夠準(zhǔn)確掌握監(jiān)測(cè)到的無線電信號(hào)的詳細(xì)發(fā)射參數(shù)，對(duì)不明信號(hào)的屬性和種類進(jìn)行區(qū)分。

3.2 為短波通信提供實(shí)時(shí)選頻

短波通信中，選擇合適的通信頻率十分重要。不同的工作頻率下，通信的質(zhì)量和效率有很大不同。在遠(yuǎn)距離通信中，工作頻率嚴(yán)重影響通信的安全性。因此，在利用短波進(jìn)行通信前，通常需要選擇工作頻率，而短波頻率管理系統(tǒng)能夠?yàn)槭褂谜咄扑]合適的工作頻率。在推薦工作頻率前，短波頻率管理系統(tǒng)通常需要預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)頻率，同時(shí)考慮太陽黑子活動(dòng)周期和通信雙方地理位置等多種因素的影響，通過對(duì)可通信頻段數(shù)據(jù)的處理和分析，結(jié)合斜測(cè)站和垂測(cè)站返回的測(cè)量數(shù)據(jù)，完成工作頻率的推薦。利用上述方法推薦工作頻率，可以顯著提升選頻的時(shí)效性，同時(shí)能夠避免外界環(huán)境對(duì)頻段的影響。首先，利用或結(jié)合GPS確定通信雙方的具體位置，進(jìn)而確定兩者的通信距離；其次，根據(jù)太陽黑子數(shù)和其活動(dòng)周期預(yù)測(cè)短波通信頻段，然后對(duì)電離層進(jìn)行探測(cè)，了解當(dāng)前的電離層實(shí)際狀態(tài)，確定在該電離層狀態(tài)和通信距離條件下合適的電離層傳播模式；最后，根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為使用者推薦最優(yōu)的工作頻段[5]。利用頻率管理系統(tǒng)為使用者提供短波通信實(shí)時(shí)選頻是較為常見的工作方式，也是保證通信質(zhì)量的有效途徑。

3.3 提供短波頻率的指配

在短波通信領(lǐng)域，短波用戶頻段較短且短波頻段較窄，導(dǎo)致短波通信中傳輸?shù)男盘?hào)質(zhì)量較差。由于短波通信過程中針對(duì)性較弱，且不同用戶之間的通信也會(huì)相互影響，進(jìn)一步影響了通信質(zhì)量。此外，由于短波通信利用電磁波在空中的傳播進(jìn)行通信，采用的是無線信道，使得通信過程極易受到電磁環(huán)境的影響，導(dǎo)致通信過程不穩(wěn)定。因此，在利用短波進(jìn)行通信時(shí)，需要掌握電磁環(huán)境基本情況，同時(shí)考慮電臺(tái)情況，指配通信使用的頻率。例如，在短波通信過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的工作頻率上干擾較為嚴(yán)重時(shí)，需要及時(shí)更換通信頻率。在短波通信中進(jìn)行頻率指配的基本過程如下：首先，利用頻率選擇系統(tǒng)確定指配；其次，挑選可用的工作頻率，并去除其中的禁用頻率和保護(hù)頻率；再次，分析通信系統(tǒng)的兼容性，同時(shí)更新頻率管理系統(tǒng)的資源庫信息；最后，完成兼容性分析后向管理中心提交合適的工作頻率，管理中心調(diào)整或更換通信使用的工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)頻率的指配。

3.4 準(zhǔn)確分發(fā)通信頻率

通用的短波頻率分發(fā)時(shí)，應(yīng)確定短波頻率的具體分發(fā)方法。確定分發(fā)方法后，頻率指配系統(tǒng)分配通信信號(hào)，同時(shí)把頻率上傳到網(wǎng)上，并探測(cè)和評(píng)估當(dāng)前的電離層和電磁環(huán)境，以保證在該頻率上通信雙方能夠正常通信。這一過程中，將通信可用頻率上傳到網(wǎng)絡(luò)是十分重要的環(huán)節(jié)，主要包含以下信息。

（1）通信站點(diǎn)之間的電離層信息。通信站點(diǎn)之間短波通信質(zhì)量的優(yōu)劣依賴于兩個(gè)站點(diǎn)之間的電離層狀況。通過掌握電離層狀態(tài)，可以根據(jù)站點(diǎn)之間的距離選擇合適的工作頻率，進(jìn)而保證站點(diǎn)之間可以可靠高效地交換數(shù)據(jù)。當(dāng)前使用較多的是短波自適應(yīng)技術(shù)，在條件允許時(shí)可利用衛(wèi)星通信電路建設(shè)信道。

（2）在距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)之間傳輸信息時(shí)，需要建立可靠的傳輸信道。利用短波頻率管理系統(tǒng)可以較精確地選擇工作頻率或組合通信頻率，然后將其分發(fā)到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，提升短波通信的質(zhì)量和安全性。為了達(dá)到精確選擇頻率或組合通信頻率的目的，通信信道通常需要在覆蓋區(qū)中建立。為了保證通信過程中能夠自動(dòng)掃描通信頻率并接收信號(hào)，通信前通常需要先在發(fā)送站和接收站之間約定好信號(hào)格式、傳輸協(xié)議以及調(diào)制方法。此外，接收端也需要配置與發(fā)送端協(xié)議相一致的接收設(shè)備，從而為自動(dòng)掃描提供基礎(chǔ)。

利用短波進(jìn)行通信采用無線信道且頻段較窄，因此會(huì)受到多種因素的影響。短波頻率管理系統(tǒng)通過對(duì)短波頻段頻率的管理，既可以提高短波通信的安全性，增強(qiáng)信號(hào)傳輸時(shí)候的方向性，提高通信質(zhì)量，也能夠進(jìn)一步提高遠(yuǎn)距離通信的準(zhǔn)確度。頻率管理系統(tǒng)在短波通信中具有較高的應(yīng)用前景。

除上述幾方面應(yīng)用外，短波頻率管理系統(tǒng)自身性能也需要進(jìn)一步提高。第一，提高探測(cè)短信息的信道容量。第二，進(jìn)一步研究頻率指配和預(yù)測(cè)算法，提高算法精度和效率。第三，加強(qiáng)通信鏈路研究，在接收端和發(fā)送端實(shí)現(xiàn)異頻通信。第四，提升數(shù)據(jù)傳輸控制器的性能，提升其傳輸速率。第五，加強(qiáng)與短波通信設(shè)備的融合，更好地提升設(shè)備性能。短波頻率管理系統(tǒng)性能的提升面臨很大挑戰(zhàn)，需要研究人員投入較多的精力開展深入的研究，才能提高頻管系統(tǒng)的性能。

4 結(jié) 論

短波通信是遠(yuǎn)程通信的重要方式之一。盡管短波通信方式較為傳統(tǒng)，但其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)以及抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，在軍事、商業(yè)以及氣象等方面發(fā)揮了重要作用。短波通信的傳輸介質(zhì)電離層具有時(shí)變性，在傳輸過程中會(huì)受到周邊電磁環(huán)境和季節(jié)環(huán)境等多種因素的影響，導(dǎo)致通信質(zhì)量和效率較低。頻率管理系統(tǒng)能夠有效管理短波通信的頻率，從而保證通信過程的穩(wěn)定性。目前，頻率管理系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)取得了較大成果，但是任何技術(shù)的發(fā)展都不是一蹴而就的，需要經(jīng)過時(shí)間的積累和技術(shù)的積淀。短波頻率管理系統(tǒng)的使用將短波通信的管理和短波通信技術(shù)進(jìn)行了有效融合，以提供更高質(zhì)量的通信。在未來的研究中，還需要對(duì)短波通信技術(shù)進(jìn)行同步發(fā)展研究，進(jìn)而更好地發(fā)揮兩者的結(jié)合作用。